CC BY
147
УДК 669.017
АНАЛИЗ МЕТОДОВ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ Е.Н. Чумаченко, С.А. Аксенов,С.С. Борхсениус
Работа посвящена применению компьютерных технологий при анализе результатов механических испытаний материалов для определения их свойств в условиях горячей деформации. Рассмотрены испытания на кручение, растяжение, сжатие и сжатие с плоской деформацией. Проведен обзор возможностей использования обратного анализа для интерпретации результатов механических испытаний с применением имитационного моделирования на базе метода конечных элементов (МКЭ) в 2D и 3D
Ключевые слова: механические испытания, имитационное моделирование, МКЭ, обратный анализ
Знание поведения механических свойств материала при горячей деформации дает возможность разрабатывать технологические процессы формоизменения в диапазонах температур и скоростей деформации, которые обеспечивают оптимальные условия для пластического или сверхпластического течения. Использование особенностей поведения данного материала при горячем деформировании позволяет внедрять технологии получения сложных изделий за меньшее число переходов, снижать энергозатраты, увеличивать коэффициент использования металла (КИМ) и, в конечном итоге, повышать рентабельность производства. Очевидно, что интерпретация результатов механических испытаний материалов для определения их свойств в условиях горячей деформации является актуальной задачей.
При проектировании технологических процессов обработки металлов давлением применяются современные компьютерные программы, позволяющие строить прогнозы формоизменения материала, рассчитывать важные термомеханические и энергетические характеристики.
Зачастую при интерпретации результатов большинства механических испытаний возникают проблемы, связанные, как правило, с различными формами неравномерности распределения термомеханических
характеристик в образце, трением, генерируемым в ходе деформации теплом и т.п. Получаемые в процессе эксперимента данные могут существенно зависеть от
Чумаченко Евгений Николаевич - МГИЭМ (ТУ), д-р техн. наук, профессор, тел. +7 (499) 235-20-24, e-mail: mm@miem. edu.ru
Аксенов Сергей Алексеевич - МГИЭМ (ТУ), канд. техн. наук, доцент, тел. +7 (499) 235-20-24, e-mail: aksenov. s.a@gmail. com
Борхсениус Сергей Сергеевич - МГИЭМ (ТУ), студент, тел. +7 (916)423-86-09, e-mail: [email protected]
геометрии образца и штампов. Локальные условия формоизменения сильно варьируются в различных участках очага деформации, что усложняет анализ результатов и требует применения процедуры коррекции. Оценка влияния температурных условий, трения была произведена, к примеру, в работе [1].
Рассмотрим, эксперименты на сжатие с плоской деформацией PSCT (Plane Strain Compression Test), которые считаются наиболее удобными при моделировании прокатки [2]. Первоначально эксперименты этого типа были разработаны и применены для исследований, связанных с технологиями прокатки широкополосной и листовой стали, в которых (как и в ряде некоторых других процессов) формоизменение осуществляется в условиях очень близких к условиям идеальной плоской деформации. Наибольшее влияние на результаты экспериментов PSCT оказывает неравномерность пластического течения в очаге деформации, вызванная жесткими концами образца, и боковое уширение очага деформации, что приводит к увеличению контактной поверхности, а тест на сжатие с плоской деформацией показывает небольшую чувствительность к трению.
Разработке метода, который бы учитывал влияние возмущений в ходе испытаний и позволял оценить, насколько параметры материала зависят от этих явлений, были посвящены многие исследования.
Наиболее распространенный, и на сегодняшний день точный - из
существующих методов - метод обратного анализа. Он часто используется в исследованиях вопросов моделирования пластометрических испытаний, он был испытан на большом количестве экспериментальных данных. На рисунке приведена схема применения этого метода.
НЕТ
V
КОНЕЦ
Схема обратного анализа
Напомним, что под моделью механических свойств материала при горячей деформации понимается зависимость напряжения пластического течения металла от интенсивности деформации, скорости деформации и температуры 01 (£1, £1, / ).
Притом эта зависимость не определяется напряженно деформированным состоянием, то есть, является характеристикой материала. Как видно из схемы, при применении обратного анализа вначале эту модель рассчитывают по приближенным формулам.
Существуют разные подходы к имитационному моделированию механических испытаний, но большинство из них основано на применении метода конечных элементов. Метод конечных элементов является наиболее распространенным и общепризнанным методом решения задач обработки металлов давлением. Более того, метод конечных элементов - это основной инструмент, используемый в промышленности для моделирования процессов формирования [3]. Он используется в таких системах компьютерного моделирования, как, например, Splen, Nastran.
Этот метод описывает поведение материала на основе общей зависимости напряжения от деформации. К преимуществам метода конечных элементов можно причислить доступность и простоту его
понимания, применимость к широкому спектру самых разнообразных задач и относительную легкость создания
универсальных алгоритмов при его использовании. Если рассматривать двух- и трех- мерные подходы к имитационному моделированию пластометрических
испытаний, то очевидно, что 2Б более прост в использовании, требует меньшее количество вычислений, и, соответственно, менее затратен. Наоборот, 3Б подход обычно требует большие вычислительные мощности. При этом 2Б подход применим далеко не ко всем задачам. Точнее, применение его только к некоторым задачам, таким, как моделирование тестов на сжатие с плоской деформацией, дает адекватные результаты. Сравнение 3D и 2D подходов при моделировании испытаний на сжатие с плоской деформацией приведено, в частности, в работе [2].
После создания имитационной модели в рамках метода обратного анализа проводится сравнение полученных результатов с измеренными характеристиками,
вычисленными с использованием некоторой штрафной функции М. Если выполняется условие М < £ , то модель принимается, если нет - то после изменения модели алгоритм выполняется ещё раз.
Рассмотрен метод интерпретации результатов механических испытаний, основанный на применении обратного анализа
и имитационного моделирования. В зависимости от сложности применяемых имитационных моделей он позволяет учитывать различные термомеханические особенности материала. Наиболее
информативными и адекватными являются модели на базе метода конечных элементов в 3D, однако в ряде случаев их можно успешно заменить более быстрыми 2Б моделями. Дальнейшие исследования будут направлены на разработку программного обеспечения, позволяющего автоматизировать процесс интерпретации результатов механических испытаний.
^HTepaTypa
1. S. A. Aksenov, E. N. Chumachenko, J. Kliber, R. Fabik Inverce analysis of a plane strain compression test results for the purpose of material mechanical and microstructural properties study // HUTNIK.- №8.- 2009.-C. 555-557)
2. Lacey A.J., Loveday M.S., Mahon G. J., Roebuck B., Sellars C. M., M. R. van der Widen. Measuring flow stress in hot plane strain compression tests // Measurement Good Practice Guide. 2002. No 27. 85 p.
3. Kobayashi S., Oh S. I., Altan T. Metal Forming and the Finite Element Method. //Oxford University Press, New York, Oxford. 1989.402 p.
Московский государственный институт электроники и математики (ТУ)
ANALYSIS OF COMPUTER MODELING METHODS OF MECHANICAL TESTS E.N. Chumachenko, S.A. Aksenov, S.S. Borkhsenius
The work is devoted to the application of computer technology in analyzing the results of mechanical tests of materials to determine their properties in hot deformation. We consider testing in torsion, tension, compression and compression with a flat deformation. A review of the possibilities of using inverse analysis for interpreting the results of mechanical tests with the use of simulation-based finite element method (FEM) in 2D and 3D
Key words: mechanical tests, modeling, FEM, inverse analysis
